Parte 01 conceitos basicos

Projeto de Sistemas de Vapor


Fundada em 1910;

Origem Inglesa;

50 anos fabricando no Brasil;

4.400 Empregados no Mundo;

41 Companhias em 32 Países;

Distribuidores Autorizados em 51 países;

12 Fábricas no Mundo.

Spirax Sarco – uma empresa mundial


■ empresas do grupo

● escritórios de vendas

▲ distribuidores

Spirax Sarco – uma empresa mundial


A Spirax Sarco fornece Conhecimento (K),

Serviços (S)

e Produtos (P), mundialmente, para o

controle e uso eficiente do vapor e outros

fluidos industriais.

Spirax Sarco – um recurso global


Para prover soluções, a Spirax Sarco dispõe do conhecimento de mais de 800 engenheiros pelo mundo.

Compartilhando Conhecimento


• Consultoria Técnica especializada no projeto, operação e manutenção do sistema de vapor e retorno de condensado.

• A nível local ou corporativo, mundialmente, para atender à necessidade da sua organização.

Consultoria Técnica e Energética


Objetivo: Deslocar grandes quantidades de calor e energia entre locais distantes.

Aplicações:

- Acionamento de máquina motriz (turbina);

- Acionamento de máquina operatriz (bomba);

- Aquecimento: transferindo calor e atuando diretamente no processo.

GeraçãoGeração

DistribuiçãoDistribuição RetornoRetorno

UtilizaçãoUtilização

Sistema de Vapor


O que é Vapor?


A cada dia, sua empresa fabrica um produto que NÃO é A cada dia, sua empresa fabrica um produto que NÃO é

embalado ou vendido!embalado ou vendido!

Este produto transporta a energia que é Este produto transporta a energia que é VITAL para as para as

operações de sua Fábrica!operações de sua Fábrica!

Usado para cozinhar, secar, aquecer…Podendo também Usado para cozinhar, secar, aquecer…Podendo também

controlar temperaturas em numerosos Processos de controlar temperaturas em numerosos Processos de

Fabricação!Fabricação!

Por que se utiliza Vapor?


• Gerado a partir da água;

• Permite ajuste da temperatura pela pressão;

• Facilidades no transporte e distribuição;

• Transporta muita energia com pouca massa.

Quais as principais vantagens de se utilizar Vapor?


Tipos de Vapor


•• VAPOR SATURADOVapor freqüentemente em contato com a parte líquida e em equilíbrio térmico com a mesma.

•• VAPOR SUPERAQUECIDOVapor que se encontra a uma temperatura acima da temperatura do vapor saturado.

Tipos de Vapor


VAPOR SATURADOPara aquecimento

(85% dos casos)

VAPOR SUPERAQUECIDOPara geração de energia

(15% dos casos)

Tipos de Vapor


UtilizaçãoUtilização

DistribuiçãoDistribuição

GeraçãoGeração

RetornoRetorno

Aquecimento


gerador degerador deenergia elétricaenergia elétrica

Vapor superaquecidoVapor superaquecido

GeradorGeradorde vaporde vapor

TurbinaTurbina

Geração de Energia


Máquina à Vapor


Princípios de Termodinâmica


Pressão exercida pela atmosfera,

variável com a altitude.

Pressão Atmosférica


Pressão medida acima da atmosférica,lida em um manômetro.

Pressão Manométrica


É a pressão total. É a soma das pressões.

Pressão Atmosférica

Pressão Manométrica

Pressão Pressão AbsolutaAbsoluta

Pressão Absoluta

Pressão Atmosférica(aprox. 1 bar a = 0 bar g)

Pressão Atmosférica(aprox. 1 bar a = 0 bar g)

Vácuo Perfeito(0 bar a)

Vácuo Perfeito(0 bar a)

VácuoVácuoVácuo

PressãoDiferencialPressãoDiferencial

Pressão Relativa

Pressão Absoluta

bar a = bar g + 1


B

A pressão em um recipiente fechado age igualmente em todos os pontos! Portanto, a pressão exercida em “A” é a mesma medida em “B”, pelo manômetro!

ALei de Pascal


1 m1 m1 m1 m

10 m10 m

15 m15 m

Coluna de Água


1 m1 m1 m1 m

10 m10 m

15 m15 mFORÇA = Peso da coluna de água

Peso específico X volume

1.000 kgf/m1.000 kgf/m33 X 10 mX 10 m3 3 = 10.000 kgf= 10.000 kgf1.000 kgf/m1.000 kgf/m33 X 10 mX 10 m3 3 = 10.000 kgf= 10.000 kgf

P =P =10.000 kgf10.000 kgf

(100 X 100) cm(100 X 100) cm2 2 = = 1 kgf/cm1 kgf/cm22

= = 10 m.c.a 10 m.c.a = 1 bar= 1 bar

PRESSÃO = FORÇAÁREA

Coluna de Água


1 m1 m

10 m10 m

15 m15 m

0,5 m

Coluna de Água


15 m

5 m

0,5 Kgf/cm² 1,5 Kgf/cm²

Coluna de Água (1 Kgf/cm² = 10m)


PRESSÃO: É a força exercida por unidade de área.

UNIDADES: bar (Sistema Internacional)

kgf/cm2 (Sistema Métrico)

psi (Sistema Britânico)

Pascal (Sistema Internacional)

Unidades


•PRESSÃO:

Conversões:

de kgf/cm2 para bar multiplique por 0,9807de bar para kgf/cm2 multiplique por 1,0197 de kgf/cm2 para m.c.a. multiplique por 10de kgf/cm2 para psi multiplique por 14,224 de psi para kgf/cm2 multiplique por 0,0703de psi para bar multiplique por 0,0717

Unidades


• CalorCalor: Energia térmica total de um fluido líquido ou : Energia térmica total de um fluido líquido ou

gasoso.gasoso.

UnidadeUnidade: kcal: kcal

Unidades DerivadasUnidades Derivadas

- Quantidade de Calor (kcal/kg)- Quantidade de Calor (kcal/kg)

- Calor Específico (kcal/kg.Grau C)- Calor Específico (kcal/kg.Grau C)

- Fluxo de Calor (kcal/h)- Fluxo de Calor (kcal/h)

Calor


• CALOR:

Conversões:Conversões:

de btu/h para kcal/h multiplique por 0,251;de btu/h para kcal/h multiplique por 0,251;

de kcal/h para kjoule/h multiplique por 4,187.de kcal/h para kjoule/h multiplique por 4,187.

Unidades


Liquido Kcal/Kg.°C Liquido Kcal/Kg.°CAcetona 0,51 Éter Etílico 0,53Água 1,00 Gasolina 0,53Água do Mar 0,94 Glicerina 0,58Álcool Etílico (0°C) 0,55 Óleo Combustível 0,4 a 0,5Álcool Etílico (40°C) 0,65 Óleo de Oliva 0,47Amônia (0°C) 1,10 Óleo de Soja 0,47Amônia (40°C) 1,48 Petróleo 0,51Cloreto de Cálcio 0,73 Querosene 0,48Cloreto de Sódio 0,79 Xileno 0,41

Calor Específico dos Líquidos


Material Kcal/Kg.°C Material Kcal/Kg.°CAço 0,12 Concreto 0,19Alumínio 0,22 Ferro Fundido 0,12Antimônio 0,05 Lã 0,33Asbestos 0,20 Madeira 0,32 a 0,48Borracha 0,48 Porcelana 0,26Carvão 0,26 a 0,37 Prata 0,06Chumbo 0,03 Vidro 0,20Cobre 0,09 Zinco 0,09

Calor Específico dos Sólidos


9955

9955

Métrico Métrico -- é medida em uma escala em graus Centígrados ou é medida em uma escala em graus Centígrados ou

Celsius (Celsius (ooC) C)

Britânico Britânico -- usausa--se a escala de Fahrenheit (se a escala de Fahrenheit (ooF)F)

Internacional Internacional -- usausa--se a escala Kelvin (K) se a escala Kelvin (K)

Conversões: Conversões:

de de ooC para C para ooF F ooF = (F = (ooC + 32)C + 32)

de de ooC para K K = C para K K = ooC + 273C + 273

de de ooF para F para ooC C ooC = (C = (ooF F -- 32)32)

Temperatura


• CONDUÇÃO: Quando a transferência é feita de molécula a molécula, sem

que haja transporte dessas moléculas.

• IRRADIAÇÃOIRRADIAÇÃO: : Quando a transferência se faz de um corpo para outro,

mesmo sem contato entre si.

• CONVECÇÃOCONVECÇÃO:: Quando a transferência de calor é de molécula a Quando a transferência de calor é de molécula a

molécula, porém há um transporte simultâneo de matéria. As moléculas molécula, porém há um transporte simultâneo de matéria. As moléculas

frias do fluido se aquecem e se deslocam para regiões cada vez mais frias do fluido se aquecem e se deslocam para regiões cada vez mais

quentes, e as moléculas quentes, esfriando, se deslocam para regiões quentes, e as moléculas quentes, esfriando, se deslocam para regiões

cada vez mais frias.cada vez mais frias.

Aquecimento


TIPOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

•CONDUÇÃO

•RADIAÇÃO

•CONVECÇÃO

Conceitos Básicos


•TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA , MOLÉCULA À

MOLÉCULA , SEM MOVIMENTAÇÃO DE MASSA ,

PERPENDICULAR A SUPERFÍCIE CONSIDERADA

Condução


Condução de Calor


Q=ENERGIA (Kcal / h)

K=CONDUTIBILIDADE TÉRMICA (Kcal / h . m.ºC)

A= ÁREA (m2)

t = TEMPO (s )

T= DIFERENÇA DE TEMPERATURA (ºC)

X= ESPAÇO PERCORRIDO (m)

x

TtAKQ

JEAN BAPTISTE J. FUORIER (FRANCÊS) - 1822

Energia Transmitida


ORDEM DE GRANDEZA DA CONDUTIBILIDADE TÉRMICA K

MATERIAL Kcal / h . m.° C W / m . ° K

GASES À PRESSÃO ATMOSFÉRICA 0 , 006 - 0 , 015 0 , 0069 - 0 , 017

MATERIAIS ISOLANTES 0 , 03 - 0 , 18 0 , 034 - 0 , 21

LÍQUIDOS NÃO-METÁLICOS 0 , 07 - 0 , 60 0 , 086 - 0 , 69

SÓLIDOS NÃO-METÁLICOS (ALVENARIA) 0 , 03 - 2 , 20 0 , 034 - 2 , 6

METAIS LÍQUIDOS 7 , 5 - 65 , 0 8 , 6 - 76 , 0

LIGAS 12 , 0 - 100 , 0 14 , 0 - 120 , 0

METAIS PUROS 45 , 0 - 360 , 0 52 , 0 - 410 , 0

1 W / m ° K = 0 , 8 6 Kcal / h . m.° C

Condutibilidade Térmica


•TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA ATRAVÉS DE

ONDAS ELETROMAGNÉTICAS , SEM

MOVIMENTAÇÃO DE MASSA

Radiação


Radiação de Calor


•Quando a energia incide sobre uma superfície , parte dela é

refletida , parte é absorvida , e parte é transmitida. Como a

maioria dos sólidos é opaca, e não transmite radiação, a porção

não absorvida é refletida de volta para a origem.

Energia Incidente


Energia Incidente


Q = . . A . (T14 _ T2

4) . t

Q = ENERGIA TRANSMITIDA (Kg / h)

= CONSTANTE STEFAN & BOLTZMANN ( Kcal / h. m2 . º K 4 )

= EMISSIVIDADE

A = ÁREA (m2)

T = TEMPERATURA (º K)

t = TEMPO (s )

J. STEFAN (1879) L. BOLTZMANN (1884) AUSTRÍACOS

Energia Transmitida


Transferência de Energia, molécula a

molécula, com transferência de massa.

Convecção


Q = ENERGIA (Kg / h)

hc = COEFICIÊNTE MÉDIO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONVECÇÃO (Kcal / h . m2 .ºC)

A = ÁREA (m2)

T = DIFERENÇA DE TEMPERATURA ENTRE A SUPERFÍCIE QUENTE E UM PONTO DEFINIDO NO FLUIDO (ºC)

t = TEMPO (s )

TtAhcQ

Energia Transmitida


Coeficiente de Transmissão de Calor


PERDA POR RADIAÇÃO

AS TUBULAÇÕES DE VAPOR , MESMO ISOLADAS POSSUEM UMA PERDA DE CALOR PARA A ATMOSFERA, POR RADIAÇÃO , QUE É CONTÍNUA E CONSTANTE

Qr = A . U . ( T2 - T1 ) . E . L Qr = Quantidade de condensado formado ( Kg / h )Cl A = Área externa do tubo por metro linear ( m2 / m )

U = Coeficiente global de transferência de calor ( Kcal / h . m2 . ºC )T2 = Temperatura do vapor ( ºC )T1 = Temperatura ambiente ( ºC )E = 1 - Eficiência do isolamento ( % )L = Comprimento do tubo ( m )Cl = Calor latente do vapor à pressão da linha ( Kcal / Kg )

EXAMPLO 1 : Calcular a quantidade de condensado formado por hora numa tubulação de diâmetro de 3” com pressão de 8, 0 Bar e comprimento de 100 m , sem isolamento.

Qr = 0, 275 . 14, 9 . ( 170 - 25 ) . 1, 0 . 100 = 121, 55 SERÃO FORMADOS 121, 55 Kg / h DE CONDENSADOS

488, 8

EXAMPLO 2 : Idem acima, com a tubulação isolada, e com 75 % de eficiência.

Qr = 0, 275 . 14, 9 . ( 170 - 25 ) . 0, 75 . 100 = 30, 4 SERÃO FORMADOS 30, 4 Kg / h DE CONDENSADOS

488, 8

Perda Por Radiação


ÁREA EXTERNA DE TUBOS PARA VAPOR

ø nom Área ø nom Área ø nom Área

Pol mm m2 / m Pol mm m2 / m Pol mm m2 / m

3 / 8 10 0, 053 2 50 0, 0187 10 250 0, 844

1 / 2 15 0, 066 2 1 / 2 65 0, 226 12 300 1, 00

3 / 4 20 0, 083 3 80 0, 275 14 350 1, 10

1 25 0, 103 4 100 0, 353 16 400 1, 26

1 1 / 4 32 0, 130 6 150 0, 520 18 450 1, 41

1 1 / 2 40 0, 149 8 200 0, 677 20 500 1, 57

Área Externa de Tubos para Vapor


COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO DE CALOR

Pressão Kcal / h . m2 . ºC

Bar 1” 2” 3” 5” 6” 10” Sup. Plana

1, 5 13, 2 12, 6 12, 1 11, 7 11, 5 11, 2 10, 5

1, 7 13, 7 12, 9 12, 5 12, 0 11, 7 11, 5 11, 3

4, 5 15, 1 14, 4 13, 9 13, 5 13, 0 12, 8 12, 5

8, 0 16, 4 15, 6 14, 9 14, 7 14, 1 13, 9 13, 4

19, 0 18, 1 17, 6 16, 7 16, 5 16, 1 15, 7 15, 4

43, 0 21, 5 21, 0 20, 5 19, 5 19, 0 18, 6 18, 1

TUBOS NÃO ISOLADOS , COM TEMPERATURA AMBIENTE DE 25 ºC

Coeficiente Global de Troca


Resistências


P E R D A D E E F I C I Ê N C I A D E T R O C A T É R M I C A

Eficiência de Troca Térmica


Teoria Básica de Transferência de Calor


Q = m . Cp . t

m: Vazão em massa

Cp: Calor específico

t: Diferencial de temperatura

•Carga Térmica: (Uma fase)

Equações Básicas


Q 1 = Q2

O calor cedido pelo fluido quente é integralmente

recebido pelo fluido frio!

Lembrete!


Q = U . A . Tml

U: Coeficiente Global de transferência de calor;

A: Área efetiva de troca térmica;

Tml: Diferencial médio logarítmico de temperatura

Equação Geral de Trocador de Calor


1

2

12

lntt

ttTml

Cálculo do Tml


T1T2

t1t2

T1 T2

t1 t2

T; t ºF

T2

T1

t1

t2

T

t

L

x

T2

T1

t1

t2

T

t

T; t ºF

Lx

t2 = T1 – t2

t1 = T2 – t1

tML = t2 - t1

Ln (t2 / t1)

CONTRACORRENTE PARALELO

t2 = T1 – t1

t1 = T2 – t2

tML = t2 - t1

Ln (t2 / t1)


Exemplo: Um fluido quente entra em um trocador de calor com tubos concêntricos a uma temperatura de 150ºC e sai resfriado a 95ºC por um fluido frio que entra a 40ºC e é aquecido a 70ºC. Calcular a “Diferença de Temperatura Média Logarítmica” para o sistema em contracorrente e paralelo e definir qual o mais recomendado.

Fluxo contracorrente

Fluido Quente Fluido Frio

(T1) 150

(T2) 95

-

-

(t2) (t1)

70

40

= 80 (t2)

= 55 (t1)= 25 (t2 - t1)

t2 - t1

DTML =

2,3 log t2 / t1

25DTML =

2,3 log 80 / 55

Fluxo Paralelo

Fluido Quente Fluido Frio

(T1) 150

(T2) 95

-

-

(t2) (t1)

40

70

= 110 (t2)

= 25 (t1)= 85 (t2 - t1)

t2 - t1

DTML =

2,3 log t2 / t1

85DTML =

2,3 log 110 / 25

Cálculo do Tml


h1, h2: Coeficientes de película (transmissão térmica);

e: espessura da placa;

k: Condutividade térmica da placa

ff: Fator de incrustação

Cálculo do U

Q = U . A . Tml


h = 0,023 . k (v.D.)0,8 .(NPr)0,4

NPr = . Cp

k = Viscosidade absoluta

•v = Velocidade

= Densidade do fluido;

•D = Diâmetro hidráulico;

•Cp = Calor específico

•k = Condutividade térmica do fluido

NNRe Re = = v.D.v.D.

Cálculo do h


Coeficiente Global de Transferência de Calor


1 W / m2 . K = 0,1761 Btu / h . ft2 . ºF

1 W / m2 . K = 0,8598 Kcal / h . m2 . ºC

1 Btu / h . ft2 . ºF = 4,88 Kcal / h . m2 . ºC

1 Btu / h . ft2 . ºF = 5,6786 W / m2 . ºK

1 Btu / h . ft2 . ºF = 5,678 J / seg . m2 . ºC

1 W / m2 . ºC = 1,0 J / seg . m2 . ºC

1 Kcal / h . m2 . ºC = 0,2048 Btu / h . ft2 . ºF

1 Kcal / h . m2 . ºC = 1,163 J / seg . m2 . ºC

Unidades de Medidas


• DENSIDADE: É a massa ocupada por um determinado fluido por unidade de volume.

UNIDADES: kg/m3 (Sistema Internacional)

lb/ft3 (Sistema Britânico)

• VOLUME ESPECÍFICO: É o volume ocupado por um determinado fluido por unidade de massa.

UNIDADES: m3/kg

Densidade e Volume Específico


• VAZÃO: É o volume ou massa de um fluido que escoa por um conduto por unidade de tempo.

Métrico kg/h

Britânico gpm (galões/min.)

Internacional m3/s

Vazão


VAZÃO Volume de um fluido por unidade de tempoVAZÃO Volume de um fluido por unidade de tempo

VolumeVolume

TempoTempo

kgkg

hhmm33

hh= =

COMCOM

PRESSÃO Força aplicada por unidade de áreaPRESSÃO Força aplicada por unidade de área

ForçaForça

ÁreaÁrea

kgfkgf

cmcm22

lblbpolpol22

= =

Não Confundir:


Produção de Vapor


Pressão constante

Temperatura

Calor constante

Produção de Vapor


Temperatura

Calor

Produção de Vapor


t2

t1

Volume

Temperatura

Calor

Produção de Vapor


Temperaturade ebulição

Temperatura

Produção de Vapor

Calor

t2

t1


Temperatura

Calor

Temperaturade ebuliçãot2

t1

Produção de Vapor


Temperatura

Calor

Temperaturade ebulição

t2

t1

Produção de Vapor


Temperatura

Calor

Temperaturade ebuliçãot2

t1

Produção de Vapor


Calor

t2

t1

líquido

Temperatura

Produção de Vapor


Calor

t2

t1

vaporsaturado

água+vapor

líquido

Temperatura

Produção de Vapor


Calor

t2

t1

vaporsaturado

água+vapor

líquido

vaporsuperaquecido

Temperatura

Produção de Vapor


Calor

t2

t1

vaporsaturado

água+vapor

líquido

vaporsuperaquecido

calor sensível

Temperatura

Produção de Vapor


Calor

t2

t1

vaporsaturado

água+vapor

líquidovapor

superaquecido

calor sensível

calor latente

Temperatura

Produção de Vapor


Calor

t2

t1

vaporsaturado

água+vapor

líquidovapor

superaquecido

calor sensível

calor latente

calor sensível

Temperatura

Produção de Vapor


Calor totalCalor total

água+vaporágua+vapor

CalorCalor

t2

t1

vaporvaporsaturadosaturadolíquidolíquido

vaporvaporsuperaquecidosuperaquecido

Calor sensívelCalor sensível Calor latenteCalor latente Calor sensívelCalor sensível

TemperaturaTemperatura

Calor Sensível, Latente e Total


Tabeça de Vapor SaturadoPressãorelativa Temp.

Calor sensível

Calor latente

Calor total

VolumeEspecífico

kgf/cm2 ºC kcal/kg kcal/kg kcal/kg m3/kg

0 1 99.1 99.1 539.4 638.5 1.7251 2 119.6 119.9 525.9 645.8 0.9022 3 132.9 133.4 516.9 650.3 0.6163 4 142.9 143.6 509.8 653.4 0.4704 5 151.1 152.1 503.7 655.8 0.3815 6 158.1 159.3 498.5 657.8 0.3216 7 164.2 165.6 493.8 659.4 0.2777 8 169.6 171.3 489.5 660.8 0.2448 9 174.5 176.4 485.6 662.0 0.2189 10 179.0 181.2 481.8 663.0 0.19810 11 183.2 185.6 478.3 663.9 0.18011 12 187.1 189.7 475.0 664.7 0.16612 13 190.7 193.5 471.9 665.4 0.15413 14 194.1 197.1 468.9 666.0 0.14314 15 197.4 200.6 466.0 666.6 0.134

Pressãoabsoluta

kgf/cm2


É a porcentagem de vapor existente em uma mistura de vapor

saturado. Portanto, se tivermos 1 kg de vapor saturado com título X

= 75 %, então 0,75 kg dessa massa será vapor e 0,25 kg será

água.

X = MASSA DE VAPOR x 100 %

(MASSA DE VAPOR + ÁGUA)

Título ou Qualidade do Vapor


SECO Não varia de temperatura com o título igual a 100 %, ou seja, toda massa é vapor.

ÚMIDO Não varia de temperatura com o título variando de 0 a 100 %.

Tipos de Vapor Saturado


É a diferença entre a temperatura do vapor superaquecido e a

temperatura do vapor saturado, a uma determinada pressão.

Exemplo:

Vapor saturado Vapor saturado úmidoúmido

P = 10 kgf/cm2

T = 183,2 oC

Vapor superaquecido

P = 10 kgf/cm2

T = 220 oC

Vapor saturado seco

P = 10 kgf/cm2

T = 183,2 oC

Grau de Superaquecimento


Propriedades Termodinâmicas

Parte 01 conceitos basicos

Engineering

Transcript of Parte 01 conceitos basicos